DE3822904C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Josephson-Element mit schichtartigem Aufbau auf einer Flachseite eines Substrates, welches Element

• - eine als Basiselektrode dienende Schicht aus einem oxidkera­ mischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur in einer ersten Ebene,
• - eine als Gegenelektrode dienende Schicht aus supraleitendem Material in einer weiteren, zu der ersten Ebene parallelen Ebene sowie
• - einen zwischen der Basiselektrodenschicht und der Gegenelek­ trodenschicht verlaufenden Bereich schwacher Kopplung enthält.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Josephson-Elementes. Ein entsprechendes Element mit den genannten Merkmalen ist aus "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 26, No. 9, September 1987, Part 2 - Letters, Seiten L 1443 bis L 1444 bekannt.

Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtempera­ turen T_c von insbesondere über 80 K, die deshalb mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, sind allgemein bekannt. Ent­ sprechende Metalloxidverbindungen basieren beispielsweise auf einem Stoffsystem des Typs Mel-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten Mel ein Seltenes Erdmetall einschließlich Y und Me2 ein Erdalkali­ metall wie z.B. Ba zumindest enthalten. Filme bzw. dünne Schichten aus diesen Metalloxidverbindungen werden vielfach mit speziellen Bedampfungs- oder Sputterprozessen hergestellt.

Hierbei wird im allgemeinen auf einem geeigneten Substrat zu­ nächst ein polykristallines oder amorphes Vorprodukt mit den Komponenten des gewählten Stoffsystems abgeschieden, wobei der Sauerstoffgehalt und damit die gewünschte Phase noch nicht exakt eingestellt sind. Dieses Vorprodukt wird anschließend mittels einer Wärme- und Sauerstoffbehandlung in das Material mit der gewünschten supraleitenden Phase überführt.

Die so zu erhaltenden supraleitenden Metalloxidphasen, deren Kristallstrukturen ähnlich der eines Perowskites sein können, haben im Falle von YBa₂Cu₃O_7-x mit O < × < 0,5 eine orthorhombische Struktur (vgl. z. B. "Europhysics Letters", Vol. 3, No. 12, 15.6.1987, Seiten 1301 bis 1307). Ihre Sprungtemperatur T_c liegt bei etwa 90 K. Da die diese supraleitenden Phasen auf­ weisenden Materialien den Oxidkeramiken zuzurechnen sind, wer­ den die entsprechenden Hoch-T_c-Supraleiter vielfach auch als oxidkeramische Supraleiter bezeichnet.

Ein Josephson-Element unter Verwendung eines solchen oxidkera­ mischen Supraleitermaterials geht aus der eingangs genannten Veröffentlichung "Jap.J.Appl.Phys." hervor. Dieses Element enthält auf einem gesinterten Substrat des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O eine Basiselektrodenschicht aus demselben Material. Auf dieser Schicht ist eine als Tunnelbarriere wirkende Schicht aus Al₂O₃ ausgebildet, die von der Basiselektrodenschicht durch eine wenige Nanometer dicke Au-Schutzschicht getrennt ist. Als Gegenelektrode dient eine auf die Tunnelbarrierenschicht aufge­ brachte Nb-Schicht. Mit der Tunnelbarrierenschicht wird somit in bekannter Weise ein Bereich schwacher Kopplung zwischen den Elektrodenschichten ausgebildet. Es zeigt sich jedoch, daß ein derartiges Josephson-Tunnelelement bei 77 K die für einen Einsatz in aktiven elektronischen Schaltungen zu erhebenden Forderungen nach ausreichender kritischer Stromdichte und geringem magnetischen Flußrauschen nicht erfüllen kann.

Filme aus oxidkeramischem Hoch-T_c-Supraleitermaterial mit hohen kritischen Stromdichten sind an sich bekannt. Diese Filme müssen hierzu texturierte Gefüge aufweisen. Sie zeigen nämlich ein stark anisotropes Verhalten der kritischen Stromdichte (Stromtragfähigkeit) in Abhängigkeit von der Lage der Kri­ stallachsen. Die Herstellung entsprechender YBa₂Cu₃O_7-x-Filme auf einem einkristallinen SrTiO₃-Substrat ist z. B. in "Physical Review Letters", Vol. 58, No. 25, 22.6.1987, Seiten 2684 bis 2686 beschrieben. Dementsprechend werden zunächst die drei metallischen Komponenten des Systems (Y, Ba, Cu) aus getrennten Verdampfungsquellen in einer Sauerstoffatmosphäre auf das etwa 400°C erhitzte Substrat aufgedampft. Das so erhaltene Vorpro­ dukt ist noch fehlstrukturiert. Mittels einer sich bei hoher Temperatur von etwa 900°C daran anschließenden Behandlung unter Sauerstoffzufuhr erhält man dann texturierte Schichten mit orientierten Kristallen der gewünschten supraleitenden Hoch-T_c- Phase. Die so hergestellten Filme zeigen die erwähnte starke Anisotropie der kritischen Stromdichte. So sind senkrecht zu den c-Achsen der Kristalle bei 77 K kritische Stromdichten von 10⁵ bis 10⁶ A/cm² zu messen, während parallel zur c-Achse die kritische Stromdichte mindestens eine 10er-Potenz kleiner ist.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von einkristallinen YBa₂Cu₃O_7-x-Filmen mittels Epitaxie ist aus der Veröffent­ lichung "Applied Physics Letters", Vol. 51, No. 11, 14.9.1987, Seiten 861 bis 863 bekannt. Hierzu wird zunächst ein Target­ material des entsprechenden Stoffsystems mittels eines Lasers verdampft und auf einem einkristallinen SrTiO₃-Substrat abge­ schieden. Der zu verwendende Laser kann ein KrF-Excimer-Laser sein, dessen Wellenlänge im UV-Spektralbereich liegt und eine Energiedichte am Targetmaterial von etwa 2 J/cm² bei einer Pulsfrequenz von 3 bis 6 Hz ermöglicht. Das Substrat soll hier­ bei auf 450°C erhitzt sein (vgl. auch "Appl.Phys.Lett.", Vol. 51, No. 8, 24.8.1987, Seiten 619 bis 621). Die so erhaltene Schicht ist hinsichtlich der gewünschten supraleitenden Hoch- T_c-Phase ebenfalls fehlstrukturiert. Mittels einer sich daran anschließenden Wärmebehandlung bei etwa 900°C in einer Sauer­ stoffatmosphäre und anschließender langsamer Abkühlung erhält man dann die gewünschten einkristallinen oder zumindest stark texturierten Filmschichten der angestrebten Hoch-T_c-Phase.

Bei diesen bekannten Verfahren werden die die gewünschte Kri­ stallisation erst gewährleistenden Nachbehandlungsschritte als notwendige Voraussetzung zur Erreichung der angestrebten hohen kritischen Stromdichten angesehen. Der Aufwand zur Herstellung entsprechender Schichten ist jedoch erheblich. Außerdem ist die bei dem Hochtemperaturprozeß ablaufende Rekri­ stallisation schwierig zu kontrollieren. Darüber hinaus ist eine Interdiffusion zwischen dem Filmmaterial und dem Substrat in vielen Fällen nicht zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Josephson- Element der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß es sich auf verhältnismäßig einfache Weise herstellen läßt. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem Schichten mit kritischen Stromdichten von mindestens 10⁴ A/cm² reproduzierbar auszubilden sind, ohne daß der erwähnte Hoch­ temperaturprozeß erforderlich wäre.

Diese Aufgabe wird für das Josephson-Element mit den ein­ gangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Substrat vorgesehen ist, das eine an die Kristallstruktur­ abmessungen der supraleitenden Phase des oxidkeramischen Supra­ leitermaterials angepaßte Textur aufweist, daß die Elektroden­ schichten mittels eines entsprechend texturierten Abstands­ teiles aus isolierendem Material beabstandet sind, wobei eine Stufe vorbestimmter Stufenhöhe mit Stufenkanten und einer da­ zwischen verlaufenden Verbindungsfläche ausgebildet ist, daß die Elektrodenschichten und der Bereich schwacher Kopplung aus dem sich über die Stufe erstreckenden oxidkeramischen Supraleitermaterial mit gleicher geordneter Kristallstruktur gebildet sind, wobei sich der Bereich schwacher Kopplung längs der Verbindungsfläche zwischen den Stufenkanten erstreckt und eine Ausdehnung senkrecht zu den Ebenen von unter 100 nm hat, sowie daß die Elektrodenschichten eine kritische Stromdichte in Richtung der Ebenen aufweisen, die mindestens 10 mal größer ist als in senkrechter Richtung dazu durch den Bereich schwacher Kopplung.

Bei der Erfindung wird also die Anisotropie der kritischen Stromdichte des oxidkeramischen Hoch-T_c-Supraleitermaterials zur Ausbildung eines Josephson-Elementes ausgenutzt. Dem­ gemäß ist an der Stufe zwischen zwei Schichten hoher kritischer Stromdichte in den Schichtebenen ein Übergangsbereich ausge­ bildet, in dem die kritische Stromdichte senkrecht zu der Aus­ dehnungsrichtung dieser Schichten wesentlich kleiner ist. Die Folge davon ist eine nur schwache Kopplung zwischen den beiden als Basiselektrode bzw. Gegenelektrode dienenden Schichten hoher kritischer Stromdichte, so daß dieser Übergangsbereich quasi ein "Weak Link" zwischen diesen Elektrodenschichten darstellt. Die parallel zu den Ebenen der Elektrodenschichten zu messende Querschnittsfläche dieses Bereiches schwacher Kopp­ lung kann dabei selbstverständlich nur so groß sein, daß die angestrebte "Weak-Link"-Funktion gewährleistet ist. Ein der­ artiges Josephson-Element kann vorteilhaft die angestrebten Forderungen hinsichtlich kritischer Stromdichte und Rauscharmut erfüllen.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Josephson- Element dadurch herstellen, daß zunächst in einem Lithographie­ prozeß auf dem Substrat eine Lochmaske mit einer der auszubil­ denden Stufe und dem zu erzeugenden Josephson-Element angepaßten Loch­ struktur aufgebracht wird und daß die Elektrodenschichten des Josephson-Elementes durch schräges Aufdampfen bei ununterbrochenen Unterdruckver­ hältnissen abgeschieden werden. Hierbei wird vorteilhaft ein Targetmaterial aus einer Oxidkeramik des Supraleitermaterials mittels eines gepulsten Lasers, dessen Wellenlänge im Ultra­ violett-Spektralbereich liegt, gleichzeitig mit einer Wärme­ behandlung und Sauerstoffbehandlung verdampft.

Die mit diesen Verfahrensschritten verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß quasi "in situ" eine Kri­ stallisation der gewünschten supraleitenden Phase zu erreichen ist und deshalb eine nachträgliche Ausbildung dieser Phase durch einen besonderen Glühschritt bei hohen Temperaturen nicht mehr erforderlich wird. Dabei sind für die In-situ-Kristallisation höhere Substrattemperaturen und aktivierter Sauerstoff am Substrat notwendig. Zur Aktivierung des Sauerstoffs kann vorteilhaft ein Laser mit einer hinrei­ chend hohen Pulsenergie eingesetzt werden. Der molekulare Sauerstoff der vorgesehenen Atmosphäre wird dann durch Wech­ selwirkung mit der UV-Laserstrahlung direkt an dem geheizten Substrat mit jedem Puls aktiviert. Die so erzeugte Menge an Sauerstoffradikalen und die hohe Substrattemperatur reichen aus, um bei jedem Puls eine etwa 1 nm dicke Schicht epitaktisch aufwachsen zu lassen. Die bei üblichen Pulsfrequenzen so er­ reichbaren hohen Aufwachsraten gewährleisten eine geringe Be­ dampfungsdauer und eine geringe Verunreinigung der Schichten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Josephson- Elementes sowie des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird nachfolgend auf die schematischen Zeichnungen Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Elementes veran­ schaulicht ist. Aus Fig. 2 geht eine weitere Ausbildungsmög­ lichkeit eines erfindungsgemäßen Josephson-Elementes hervor. Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Her­ stellungsverfahrens. In den Figuren übereinstimmende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Das erfindungsgemäße Josephson-Element soll aus einem bekannten supraleitenden Hoch-T_c-Material auf einem vorbestimmten Sub­ strat ausgebildet sein. Als Ausführungsbeispiel sei ein Ma­ terial aus dem Stoffsystem Mel-Me2-Cu-O ausgewählt. Dabei können Me1 und Me2 insbesondere ein Element aus der Gruppe der Seltenen Erdmetalle einschließlich Y bzw. ein Element aus der Gruppe der Erdalkalimetalle wie z.B. Ba sein. Neben Y und Ba für Me1 bzw. Me2 geeignete Materialien sind allgemein bekannt. Ge­ gebenenfalls sind Me1 und Me2 auch Legierungen oder Verbin­ dungen oder sonstige Zusammensetzungen dieser Metalle mit Sub­ stitutionsmaterialien; d.h., mindestens eines der genannten Elemente kann in bekannter Weise partiell durch ein anderes Element substituiert sein. Auch das Cu oder das O können zumin­ dest partiell gegen andere Elemente ausgetauscht werden. Das erfindungsgemäße Josephson-Element und das Verfahren zu seiner Herstellung sind jedoch nicht nur auf das genannte Stoffsystem beschränkt; d.h., es sind ebensogut auch andere oxidkeramische, metallische Komponenten und Sauerstoff enthaltende Hoch-T_c- Supraleitermaterialien geeignet, die dem genannten System nicht zuzurechnen sind. Die herzustellenden Elektroden­ schichten des Josephson-Tunnelelementes sollen dabei eine hohe Stromtragfähigkeit in der Größenordnung von mindestens 10⁴ A/cm² in der Nähe der Sprungtemperatur T_c des Materials ermöglichen. Vorteilhaft sind außerdem insbesondere solche Materialien, deren Sprungtemperatur deutlich über der Ver­ dampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs von etwa 77 K liegen.

Für das Substrat zu wählende Materialien sind vorteilhaft solche, die eine Struktur mit Abmessungen ihrer Einheitszellen haben, die zumindest in etwa das Ein- oder Mehrfache der ent­ sprechenden Abmessungen der Achsen der auf ihnen aufgewachsenen Strukturen des supraleitenden Hoch-T_C-Materials ausmachen. Aus diesem Grunde ist im Falle von YBa₂Cu₃O_7-x ein einkristallines oder zumindest entsprechend texturiertes SrTiO₃- oder (Ba, Sr)TiO₃-Substrat besonders vorteilhaft. Daneben sind ebenso auch andere Werkstoffe wie z. B. MgO, Al₂O₃, Y-stabilisiertes ZrO₂ oder Ta₂O₅ geeignet. Das erfindungsgemäße Josephson-Ele­ ment ist jedoch nicht unbedingt auf derartige einkristalline oder texturierte Substrate beschränkt. So können gegebenen­ falls auch polykristalline Substrate wie z. B. polykristallines, auf einem geeigneten Träger aufgebrachtes SrTiO₃ vorgesehen werden.

Als ein konkretes Ausführungsbeispiel sei nachfolgend die er­ findungsgemäße Ausbildung mindestens eines Josephson-Elementes mit einem supraleitenden Material der bekannten Zusammensetzung YBa₂Cu₃O_7-x mit orthorhombischer Struktur auf einem einkri­ stallinen SrTiO₃-Substrat zugrundegelegt. Hierzu ist ein Aufbau vorgesehen, der in Fig. 1 schematisch als Querschnitt veran­ schaulicht ist:

Zur Herstellung des mindestens einen Josephson-Elementes wird vorteilhaft eine spezielle Lochmasken-Technik angewandt, die als Schwebemasken-Technik bezeichnet wird. Eine derartige Schwebemasken-Technik ist allgemein bekannt (vgl. z.B. DE-PS 31 28 982). Gemäß dieser bekannten Tech­ nik wird auf einem Substrat 2 mit einer durch Linien 2a ange­ deuteten Textur eine der angestrebten Substratstruktur und der vorgesehenen Josephson-Elementstruktur entsprechende Schwebe­ maske 3 aufgebracht. Diese Schwebemaske, die aus SiO besteht, weist eine freitragende Schwebebrücke 3a auf, die in einer Höhe h von wenigen Mikrometern über dem Substrat schwebt und eine Spannweite w von etwa 1 µm hat. Zur Schaffung einer epitaxiefähigen Substratfläche 5, insbesondere im Bereich unter der Schwebebrücke 3a, werden nun die unbedeckten Teile der Substratfläche 5 durch Ionenbeschuß unter geeigneten Winkeln von allen Rückständen befreit. Anschließend wird das so vorbereitete Substrat durch etwa senkrechten Ionenbeschuß ange­ ätzt, wobei als Projektion der Schwebebrücke 3a in der Sub­ stratfläche 5 ein Sockel 7 mit zwei Stufen 8 und 9 entsteht. Die Höhe H der Stufen bzw. des Sockels ist dabei in Abhängig­ keit der Dicke des aufzubringenden Hoch-T_c-Supraleitermate­ rials zu wählen und kann so unter 100 nm liegen. Sie bestimmt den Abstand zwischen zwei parallelen Ebenen E 1 und E 2, in denen die Elektrodenschichten des herzustellenden Jo­ sephson-Elementes angeordnet werden sollen. Der Sockel 7 kann deshalb als Abstandsteil zwischen diesen Ebenen angesehen wer­ den, welches die Beabstandung der beiden Elektrodenschichten mit festlegt. In der Figur ist der entsprechend geätzte Zustand des Substrates 2 veranschaulicht. Von der Stufe 9 sind in der Figur die Stufenkanten mit K 1 und K 2 und die sich zwischen diesen Kanten erstreckende seitliche Verbindungsfläche mit 12 bezeichnet. Das so strukturierte Substrat einschließlich der auf ihm aufgebrachten Schwebemaske 3 wird dann noch "in situ", d.h., ohne Unterbrechung der für den Ionenbeschuß vorzusehenden Vakuumbedingungen, unter Sauerstoff geglüht.

Auf das erhitzte Substrat 2 wird anschließend eine Schicht 10 aus dem oxidkeramischen Hoch-T_c-Supraleitermaterial schräg aufgedampft. Zur Erzeugung eines entsprechenden Dampfstrahles 11 wird vorteilhaft ein Laser eingesetzt, der eine hinreichende Energiedichte und Pulsenergie ermöglicht. Es läßt sich so er­ reichen, daß das Hoch-T_c-Material epitaktisch oder zumindest texturiert auf der Substratfläche 5 aufwächst. Der Dampfstrahl 11 trifft auf die Substratfläche 5 unter einem Aufdampfwinkel α von etwa 45° gegenüber der Normalen auf dieser Fläche auf, so daß sich die Schicht 10 über die Stufe 9 hinweg erstreckt. Die Schichtdicke d der Schicht 10 muß dabei kleiner als die Stufenhöhe H sein. Somit weist die Schicht 10 zwei in den ver­ schiedenen parallelen Ebenen E 1 und E 2 liegende Schichtteile 10a und 10b auf. Diese Schichtteile sollen dabei die Basis­ elektrode bzw. die Gegenelektrode eines Josephson-Elementes darstellen. Zwischen diesen Schichtteilen 10a und 10b erstreckt sich längs der Verbindungsfläche 12 zwischen den Kanten K 1 und K 2 der Stufe 9 ein Schichtbereich 13, dem die Funktion der für ein Josephson-Element typischen schwachen Kopplung zukommt.

Um diese Funktion zu ermöglichen, müssen die als Elektroden dienenden Schichtteile 10a und 10b eine hohe Stromdichte in Richtung der Schichtebenen E 1 bzw. E 2 gewährleisten. Hierzu sind die Schichtteile so texturiert, daß die c-Achsen der Kri­ stallstruktur ihres Supraleitermaterials, in deren Richtung die kritische Stromdichte mindestens 10 mal kleiner als in Richtung der Ebenen E 1 oder E 2 ist, senkrecht auf der Substratfläche 5 stehen. Diese Achsen sind in der Figur durch einzelne gepfeilte Linien 14 angedeutet. Auch der Schichtbereich 13 ist entspre­ chend den beiden Schichtteilen 10a und 10b texturiert. Die Dicke d jedes Schichtteiles 10a, 10b ist dabei mit der Entfer­ nung (Stufenhöhe H) zwischen den Ebenen E 1 und E 2 korrelliert. Auf alle Fälle muß der als Basiselektrode dienende Schichtteil 10a eine Dicke d haben, die unterhalb der Stufenhöhe H liegt. Insbesondere sollte die Differenz H-d, welche der senkrecht zu den Ebenen zu messenden Höhe h′ des Schichtbereiches 13 und somit der effektiven Stufenhöhe entspricht, unter 100 nm liegen. Dieser Wert ist nämlich eine der Voraussetzungen da­ für, daß die geforderte schwache Kopplung zwischen den als Elektroden dienenden Schichtteilen 10a und 10b zu gewähr­ leisten ist. Ferner muß auch die senkrecht zu seiner Höhe h′ zu messende maximale Querschnittsfläche q des Bereiches 13 so bemessen sein, daß die für ein Josephson-Element typische "Weak-Link"-Funktion erreicht wird. Im allgemeinen liegt des­ halb q unter 10 µm². Entsprechende Abmessungen des Schichtbe­ reiches 13 können bei einem Abscheideprozeß der Schicht 10 auf dem gestuften Substrat 2 ohne weiteres realisiert werden. Es läßt sich also wegen der schichtartigen Anisotropie in dem Supraleitermaterial zwischen den als supraleitenden Elektroden dienenden Schichtteilen 10a und 10b ein Bereich schwacher Kopplung ausbilden, der ein "Weak Link" darstellt. In diesem Bereich mit den angegebenen Abmessungen muß dann nämlich ein Strom in die ungünstige c-Richtung ausweichen, um von einer Elektrode zur anderen überzutreten.

Das so hergestellte, allgemein mit 15 bezeichnete Josephson- Element muß noch mit Anschlußleitern 16 und 17 kontaktiert werden, wobei die geforderten hohen kritischen Stromdichten auch im Kontaktbereich zu gewährleisten sind. Hierzu wird das Substrat 2 mit seiner Schwebemaske 3 und dem abgeschiedenen Josephson-Element 15 so gedreht, daß ein Einfalls- bzw. Auf­ dampfwinkel (-α) eines Dampfstrahles 11′ des Supraleiterma­ terials von etwa 45° erhalten wird. Unter den Abscheidebe­ dingungen wie für die Schicht 10 kann so ohne Unterbrechung der Vakuumbedingungen eine zweite Schicht 18 aus dem Supraleiter­ material epitaktisch aufwachsen, wobei jedoch die Dicke D dieser Schicht größer gewählt werden muß als die Stufenhöhe H. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Bereich der Stufe 8 die Ausbildung eines Bereiches mit nur schwacher Kopplung entspre­ chend dem Bereich 13 vermieden wird.

Gemäß Fig. 1 wurde davon ausgegangen, daß die Beabstandung der beiden Ebenen E 1 und E 2 und die Ausbildung der Stufe 9 des er­ findungsgemäßen Josephson-Elementes 15 durch eine entsprechen­ de Strukturierung des Substrates 2 zu einem Sockel 7 als Ab­ standsteil erreicht wird. Ebenso ist es jedoch auch möglich, während des Herstellungsprozesses des Josephson-Elementes ein solches Abstandsteil gesondert auszubilden. Ein Ausführungsbei­ spiel hierfür ist in Fig. 2 als Ausschnitt angedeutet, für den eine Fig. 1 entsprechende Darstellung gewählt ist. Dabei sind nicht näher erläuterte Verfahrensschritte zur Herstellung eines Josephson-Elementes 19 entsprechend der Beschreibung zu Fig. 1 durchzuführen.

Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1 wird auf einem ebenen Substrat 20 zunächst eine als Basiselektrode dienende Schicht 21 durch schräges Aufdampfen aufgebracht. Danach wird auf dieser Schicht 21 durch senkrechtes Aufdampfen eine weitere Schicht 22 außerhalb des von der Schwebebrücke 3a abgeschatte­ ten Bereiches mit einer Dicke abgeschieden, die der Höhe h′ gemäß Fig. 1 entspricht und deshalb unter 100 nm liegt. Diese Schicht 22 besteht dabei aus einem isolierenden Material, das mit der für die supraleitende Schicht gewählten Aufdampf­ technik ebenfalls eine Textur erhält, die der Kristallstruktur des oxidkeramischen Supraleitermaterials angepaßt ist. Ein geeignetes Material ist z.B. SrTiO₃ oder ein PrBaCu-Oxid. Unter­ halb des Randes der Schwebebrücke 3a bildet sich somit eine Stufe 9 entsprechend Fig. 1 der als Abstandsteil dienenden isolierenden Schicht 22 aus. Anschließend wird auf den so gewonnenen Aufbau eine als Gegenelektrode dienende Schicht 23 aus dem oxidkeramischen Supraleitermaterial aufgedampft. Der Aufdampfwinkel α′ ist dabei so gewählt, daß sich das Material auch über die Stufe 9 hinweg erstreckt. Hierbei ist α′ < α.

Es läßt sich dann an der Stufe 9 entsprechend Fig. 1 ein Schichtbereich 13 mit einer vorbestimmten maximalen Quer­ schnittsfläche q ausbilden. Dieser Schichtbereich 13 zwischen dem in einer Ebene E 1 liegenden Teil der Schicht 23 und der in einer Ebene E 1 liegenden Schicht 21 stellt somit aufgrund seiner vorbestimmten Abmessungen und seiner anisotropen Kri­ stallstruktur die für das erfindungsgemäße Josephson-Element typische "Weak-Link"-Funktion sicher. Bei dieser Ausführungs­ form des Josephson-Elementes 19 sind die Dicken d der Schich­ ten 21 und 23 kaum kritisch. Lediglich die Dicke d der Schicht 23 muß deutlich größer als die effektive Stufenhöhe h′ sein.

Um die gewünschte Epitaxie des Hoch-T_c-Supraleitermaterials auf der gestuften Substratfläche 5 gemäß Fig. 1 oder bei Verwendung eines gestuften Abstandsteiles 22 gemäß Fig. 2 zu gewährleisten, wird vorteilhaft ein Laser-Verdampfen einge­ setzt. Ein entsprechendes Verfahren ist nachfolgend anhand von Fig. 3 näher erläutert, wobei eine Ausführungsform eines er­ findungsgemäßen Josephson-Elementes nach Fig. 1 zugrundege­ legt ist. In Fig. 3 ist schematisch ein Querschnitt durch eine entsprechende, allgemein mit 25 bezeichnete Abscheidevorrich­ tung veranschaulicht. Diese Abscheidevorrichtung enthält eine Vakuumkammer 26, die an einem Pumpstutzen 27 mittels einer entsprechenden Pumpe auf einen Enddruck zu evakuieren ist, der z.B. unter 10^-6 mbar liegt. Durch ein Quarzfenster 29 der Vakuumkammer 26 tritt ein Laserstrahl 30 in die Kammer ein und trifft dort unter einem Winkel β von etwa 45° auf ein Target 31 aus dem gewünschten Hoch-T_c-Supraleiterma­ terial. Das Target ist im Zentrum der Kammer an einem Halter 32 befestigt, der mit Hilfe eines Motors über ein Gestänge 33 gedreht werden kann. Aus dem Target 31 wird das verdampfte Material als Dampfstrahl 11 senkrecht zur Targetoberfläche emittiert. Es trifft auf ein Substrat 2, das sich dem Target gegenüber befindet. Das Substrat 2 soll dabei mit einer Schwebe­ maske gemäß Fig. 1 versehen sein, ist jedoch in Fig. 3 nicht näher ausgeführt. Es ist an einem Substratträger 35 befestigt, der so geneigt angeordnet ist, daß sich ein Aufdampfwinkel von etwa 45° gegenüber der Achse des Dampfstrahles 11 ergibt. Dieser Substratträger 35 ist auf eine Temperatur von mindestens 800°C aufheizbar. Er wird von einem Gestänge 36 gehalten, das eine Variation des Abstandes a zwischen dem Target 31 und dem Substrat 2 ermöglicht. So läßt sich ein Abstand a zwischen 20 mm und 45 mm einstellen. Das Gestänge ist ferner so drehbar ausgestaltet, daß innerhalb der Vakuumkammer 26 ein Aufdampf­ winkel (-α) bezüglich des Dampfstrahles 11 eingestellt werden kann. Während des Bedampfens läßt sich in der Kammer ein be­ liebiger Sauerstoff-Partialdruck p(O₂) über einen Gaseinlaß 37 regulieren.

Um während des Aufdampfschrittes in-situ die gewünschte supra­ leitende Hoch-T_c-Phase des Materials zu erzeugen, wird vor­ teilhaft ein gepulster Laser mit einer Wellenlänge λ seiner Strahlung vorgesehen, die im UV-Spektralbereich liegt. Der hier interessierende Wellenlängenbereich erstreckt sich dabei von etwa 110 nm bis 400 nm. Außerdem muß der Laser eine Energie­ dichte am Material des Targets 31 hervorrufen können, die über 3 J/cm² liegt. Darüber hinaus sollte die Pulsenergie des Lasers mindestens 1,5 J/Puls betragen. Die genannten Forderungen können insbesondere mit einem an sich bekannten XeCl-Excimer- Laser erfüllt werden, dessen Strahlung eine Wellenlänge λ=308 nm hat. Seine Wiederholungsfrequenz kann beispiels­ weise bei 5 Hz liegen. Durch eine Fokussierungsoptik, von der in Fig. 2 lediglich eine Quarzlinse 38 veranschaulicht ist, kann von einem derartigen Laser am Target 31 eine Energiedichte erzeugt werden, die maximal etwa 7,5 J/cm² beträgt. Im allge­ meinen sind Energiedichten von 4 bis 5 J/cm² ausreichend. Während des Aufdampfprozesses muß bei diesem Aufdampfverfahren das Substrat 2 auf einer Temperatur zwischen 600°C und 800°C gehalten werden, wobei in der Kammer eine Sauerstoffatmosphäre zwischen 0,02 mbar und 1 mbar eingestellt ist. Ein Sauerstoff- Partialdruck p(O₂) zwischen 0,05 mbar und 0,5 mbar hat sich als besonders günstig erwiesen.

Vielfach ist es noch vorteilhaft, wenn man den so gewonnenen Aufbau einer zusätzlichen Sauerstoff-Behandlung unterzieht, um hiermit eine Sauerstoff-Feineinstellung (-beladung) in dem Kri­ stallgefüge der supraleitenden Schichten vorzunehmen. Dabei kann der Sauerstoff als Gas oder Ionenstrom zugeführt werden. Diese Behandlung kann man vorteilhaft bei verhältnismäßig nied­ rigen Temperaturen, insbesondere unterhalb von 600°C durch­ führen. Gegebenenfalls können sogar Temperaturen nahe Raum­ temperatur vorgesehen werden.

Gemäß den Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß die Herstellung der Schichten des erfindungsgemäßen Josephson- Elementes mittels eines Verdampfungsschrittes unter Einsatz eines Lasers durchgeführt wird, wobei die Wärmebehandlung und die Sauerstoffbehandlung zur Ausbildung der gewünschten supra­ leitenden Metalloxidphase gleichzeitig erfolgen. Ein der­ artiges Verfahren ist als besonders vorteilhaft anzusehen. Ge­ gebenenfalls können jedoch auch andere Verfahren zum Einsatz kommen, die eine In-situ-Herstellung der Schichten ermöglichen, ohne daß dabei zu hohe Temperaturbehandlungen erforderlich wären, die zu einer unerwünschten Wechselwirkung der für die Maske vorgesehenen Materialien mit dem gewählten Supraleiter­ material führen.

Claims (17)

1. Josephson-Element mit schichtartigem Aufbau auf einer Flachseite eines Substrates, welches Element

• - eine als Basiselektrode dienende Schicht aus einem oxidkera­ mischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur in einer ersten Ebene,
• - eine als Gegenelektrode dienende Schicht aus supraleitendem Material in einer weiteren, zu der ersten Ebene parallelen Ebene sowie
• - einen zwischen der Basiselektrodenschicht und der Gegenelek­ trodenschicht verlaufenden Bereich schwacher Kopplung enthält,

dadurch gekennzeichnet,

• a) daß ein Substrat (2, 20) vorgesehen ist, das eine an die Kristallstrukturabmessungen der supraleitenden Phase des oxidkeramischen Supraleitermaterials angepaßte Textur aufweist,
• b) daß die Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) mittels eines entsprechend texturierten Abstandsteiles (7; 22) aus isolierendem Material beabstandet sind, wo­ bei eine Stufe (9) vorbestimmter Stufenhöhe (H) mit Stu­ fenkanten (K 1, K 2) und einer dazwischen verlaufenden Ver­ bindungsfläche (12) ausgebildet ist,
• c) daß die Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) und der Bereich (13) schwacher Kopplung aus dem sich über die Stufe (9) erstreckenden oxidkeramischen Supraleitermaterial mit gleicher geordneter Kristallstruktur gebildet sind, wobei sich der Bereich (13) schwacher Kopplung längs der Verbin­ dungsfläche (12) zwischen den Stufenkanten (K 1, K 2) er­ streckt und eine Ausdehnung (h′) senkrecht zu den Ebenen (E 1, E 2) von unter 100 nm hat, sowie
• d) daß die Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) eine kri­ tische Stromdichte in Richtung der Ebenen (E 1, E 2) auf­ weisen, die mindestens 10 mal größer ist als in senkrechter Richtung dazu durch den Bereich (13) schwacher Kopplung.

2. Josephson-Element nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß in das Substrat (2) das Abstandsteil (Sockel 7) mit der Stufe (9) integriert ist,
• - daß die Elektrodenschichten (10a, 10b) und der Bereich (13) schwacher Kopplung von einer gemeinsamen, sich über die Stufe (9) hinweg erstreckenden Schicht (10) aus dem Supraleiter­ material gebildet sind und
• - daß die Basiselektrodenschicht (10b) eine Dicke (d) hat, die kleiner als die Stufenhöhe (H) ist (Fig. 1).

3. Josephson-Element nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der Basiselektrodenschicht (21) das Abstandsteil (22) angeordnet ist und daß die Dicke (d) der Gegenelektrodenschicht (23) größer als die Aus­ dehnung (h′) des Bereichs (13) schwacher Kopplung ist (Fig. 2).

4. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (13) schwacher Kopplung eine parallel zu den Ebenen (E 1, E 2) zu messende maximale Querschnittsfläche (q) aufweist, die höch­ stens 10 µm² groß ist.

5. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elek­ trodenschichten (10a, 10b; 21, 23) mit Anschlußleitern (16, 17) aus dem oxidkeramischen Supraleitermaterial verbunden sind.

6. Josephson-Element nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anschlußleiter (16, 17) eine den Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) entsprechende geordnete Kristallstruktur haben.

7. Josephson-Element nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anschlußleiter (16, 17) die Elektrodenschichten (10a, 10b; 21, 23) überlappen und zumindest im Überlappungsbereich jeweils eine Dicke (D) haben, die größer als die Ausdehnung (h′) des Bereichs (13) schwacher Kopplung ist.

8. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für das Substrat (2, 20) ein Material aus der Gruppe SrTiO₃, Al₂O₃, ZrO₂, MgO vorgesehen ist.

9. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oxid­ keramisches Supraleitermaterial auf Basis des Stoffsystems Me1-Me2-Cu-O vorgesehen ist, wobei die metallischen Komponen­ ten Me1 und Me2 ein Seltenes Erdmetall oder Yttrium bzw. ein Erdalkalimetall zumindest enthalten.

10. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson- Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in einem Litho­ graphieprozeß auf dem Substrat (2, 20) eine Lochmaske (3) mit einer der auszubildenden Stufe (8, 9) und dem zu erzeugenden Josephson-Element (15, 19) angepaßter Lochstruktur aufgebracht wird und daß die Elektrodenschichten (10; 10a, 10b, 21, 23) des Josephson-Elementes (15, 19) durch schräges Aufdampfen bei ununterbrochenen Unterdruckver­ hältnissen abgeschieden werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material eines Targets (31) aus einer Oxidkeramik des Supraleitermaterials mittels eines ge­ pulsten Lasers, dessen Wellenlänge im Ultraviolett-Bereich liegt, gleichzeitig mit einer Wärmebehandlung und Sauerstoff­ behandlung verdampft wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - eine Energiedichte der Laserstrahlung (30) am Target (31) von über 3 J/cm²,
• - eine Pulsenergie des Lasers von mindestens 1,5 J/Puls,
• - eine Aufheizung des Substrates (2, 20) auf eine Temperatur zwischen 600°C und 800°C sowie
• - eine Atmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck (p(O₂)) zwischen 0,02 mbar und 1 mbar vorgesehen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein XeCl-Excimer-Laser vorgesehen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Energie­ dichte der Laserstrahlung (30) am Target (31) zwischen 4 und 5 J/cm² vorgesehen wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoffatmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck (p(O₂)) zwischen 0,05 mbar und 0,5 mbar vorgesehen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß nach dem Ver­ dampfungsschritt eine zusätzliche Sauerstoffbehandlung bei einer Temperatur unterhalb von 600°C vorgenommen wird.